JP5269995B2 - 装置の冷却 - Google Patents

Description

本発明は、装置のための冷却に関わるが、電子装置及び他の発熱装置の対流冷却のための、連続気泡発泡体が充填されたダクトの使用に特に限定しない。

第１の態様では、本発明は、熱伝導性材料から成る連続気泡発泡体によって少なくとも部分的に形成されている構造体を有している装置の冷却器であって、この構造体は、冷却される装置から前記発泡体に伝えられた熱を取り除くために、冷媒が前記発泡体を通ることを可能にするように、配置されている。

このような冷却構造体の中での連続気泡発泡体の使用は、この発泡体が前記冷媒に接する大きな面を形成することと、前記連続気泡の材料の性質によって冷媒が前記構造体を比較的容易に通って流れることが可能になることとの、効果があることが、特に判っている。

連続気泡発泡体の構造体は、連続気泡発泡体の構造的に同質の性質により、いかなる所望の形状にも形成もしくは切断され得る。例えば、前記構造体は、冷却される装置の一部の面を少なくとも部分的に囲むかこれに密接に取着するように、形作られ得る。

１つの有効な実施では、前記構造体は、前記冷媒の通路のためのダクトを形成するように配置されている前記連続気泡発泡体から成るパネルを有している。好ましい実施形態では、このようなパネルの１つ以上が、冷却される装置用のボックスの壁を形成するか、このような壁を部分的に形成するように、使用され得る。もしくは、これらパネルは、前記ボックス中に補助的な装置冷却を与えるように、前記ボックスの壁から分離されている。代わって、もしくはこれに加えて、前記装置用のボックスは、前記ボックスの壁から分離された排出筒を有している。この排出筒は、前記冷媒の補完的な通路を形成して、この通路に熱的にリンクされている装置から熱を取り除くために、前記連続気泡発泡体によって形成されている。

更なる好ましい実施形態では、前記連続気泡発泡体のパネルには、空気を、前記パネルを通して推進させるための１つ以上のファンが、冷却される装置に熱的にリンクされている装置のための内蔵型の冷却パネルを形成するように、設けられている。

熱管理の解決手段を設ける際に、本発明のこの第１の態様に係る構造体によって与えられる冷却が、少なくとも短期間において、十分ではない場合がある。従って、好ましくは、本発明の第１の態様に係る冷却器において、前記構造体は、連続気泡発泡体によって形成された囲まれたセクションを更に有しており、この囲まれたセクションは、前記構造体の、冷媒を通すように設定されている部分に熱的にリンクされる蓄熱体を形成するために、潜熱蓄積材料を収容している。このようにして、高いレベルの熱除去の短期の需要が、前記蓄熱体による助けによって満たされ、一方で、冷却動作の時には、前記構造体の冷却された部分は、前記蓄熱体から熱を取り除くために、使用され得る。前記蓄熱体は、ワックスのような相変化可能材料を含んでいても良く、前記ワックスは、冷却段階の間、固定され得る。しかしながら、他の形式の潜熱蓄積材料が、前記蓄熱体に使用されても良い。例えば、このような材料は、金属水化物のような固体を含む。

前記連続気泡発泡体は、アルミニウム、銅のような金属、もしくは良好な熱伝導性を有する他の材料によって形成され得る。この材料の選択は、いくつか例を挙げると、重量への配慮と、熱伝導性の必要なレベルと、膨張特性と、機械的剛性とによって決定される。更に、発泡体の形態の気泡の大きさは、同一であるか類似した基準に基づいて、冷媒の性質と前記連続気泡発泡体を通る冷媒の所望の流速とを考慮して、調整され得る。

前記冷媒自体は、複数の異なる形態を有し得る。代表的に、空気は、汲み上げられるか、前記構造体を自由に通って流れ得る。しかしながら、他の種類の気体と種々の種類の液体とが、特定の冷却の適用に応じて、冷媒として使用され得る。

図１は、本発明の第１の好ましい実施形態に係る冷却される電子装置用のボックスの一部の斜視図である。 図２ａは、本発明の第２の好ましい実施形態に係る冷却される電子装置用のボックスの断面図である。 図２ｂは、本発明の第２の好ましい実施形態に係る冷却される電子装置用のボックスの断面図である。 図３は、本発明の第３の好ましい実施形態に係る内蔵型の冷却パネルの斜視図である。 図４ａは、本発明の第４の好ましい実施形態に係る電子モータの熱源を部分的に収容するための冷却構造体の斜視図である。 図４ｂは、本発明の第４の好ましい実施形態に係る電子モータの熱源を部分的に収容するための冷却構造体の断面図である。 図５は、本発明の第５の好ましい実施形態に係る蓄熱パネルを有する冷却パネルと組み合わされた装置用のボックスの平面図である。

本発明の第１の実施形態に係る好ましい特徴は、図１を参照して、冷却される電子装置用のボックスとの関連で、説明される。

図１を参照すると、冷却される電子装置用のボックス１００の斜視図が、示されている。この電子装置用のボックス１００は、冷媒の入口１１０と冷媒の出口１１５とを有している中空のベースのプレナムチャンバ１０５と、このプレナムチャンバ１０５の取付け面に取着されている４つの壁１２０、１２５、１３０、１３５とを有している。これら壁１２０、１２５、１３０、１３５の各々は、連続気泡アルミニウム発泡体から成る１つ以上のパネルを有しており、これらパネルは、前記ボックス１００の内面と外面とを形成している面が、アルミニウムで被覆されている。このアルミニウム発泡体のパネルの連続気泡の性質が、前記壁１２０、１２５、１３０、１３５の選択されたセクションを通る空気の流れ、もしくは水のような他の種類の冷媒の流れを可能にする。冷媒は、前記プレナムチャンバ１０５から、選択されたパネル中に、このプレナムチャンバ１０５の取付け面に形成された孔即ちスロット（図１に示されていない）を通って流入することができ、前記選択されたパネルを通って流れた後、類似したプレナムチャンバを有する蓋（図１に示されていない）中に入り得る。この蓋中には、前記冷媒は、対応する孔即ちスロットから流入し得る。前記パネルの各々の表面の被膜によって、前記パネルは、発泡体が充填されたダクトとして作用し、且つ前記冷媒は、前記ボックス１００中に入らないように前記ダクト中を流れ得ることが、確実となる。

被膜もしくは他の形式の仕切りが、前記ボックス１００の壁１２０、１２５、１３０、１３５の中、即ちこれら壁の間のパネル間で、選択されたパネルに、特に、発熱材が取り付けられているか熱的にリンクされているパネルに、冷媒の流れを案内するために、もしくはこの流量を増加させるために、設けられ得る。前記ベース１０５の取付け面での前記孔即ちスロットの相対位置、及び、パネル間での仕切りの相対位置は、冷媒が流れるための前記パネルに渡るいかなる望ましいルートを形成するように、配置され得る。例えば、冷媒は、前記プレナムチャンバ１０５から１つのパネルに入り、このパネルと隣接のパネルとを通って流れ、この隣接のパネルから蓋中に入り得る。

電子回路中の熱源、例えばパワートランジスタ１４０は、図１に示されているように、前記ボックス１００のパネル１４５、１５０の内壁に直接に取着される。特にこれらパネル１４５、１５０は、前記プレナムチャンバ１０５からの冷媒の流れを受けるように、配置されている。他の実施形態では、熱源は、高い熱伝導性の熱通路に取着され得る。このような熱通路は、金属カプセル化された異方性のグラファイトもしくは他の高い伝導性の材料によって形成され、熱の除去のために、このようなパネル１４５、１５０の前記内壁に熱を導くように配置され得る。

図１から省かれているが、プレナムチャンバの蓋が、前記壁のパネルの選択された壁から出てくる冷媒を受け且つ除去するように配置されている。図１に示されているボックス１００では、前記壁１３０、１３５の各々に１つあるパネルの連続気泡構造体は、このボックス１００に取り付けられているとき、冷媒が、これらパネルから出て前記プレナムチャンバの蓋中に流れることを可能にするように、露出されている（１５５）。

図１のボックス１００の特定の例では、前記壁１２０、１２５、１３０、１３５の各々は、ほぼ同じ厚さと、従って同じ容量とを有するアルミニウム発泡体パネルによって構成されている。しかしながら、前記ボックス１００中に取り付けられる電子部品に対する熱管理条件に応じて、１つ以上の熱パネルが、他のパネルより大きな厚さを有し得、前記パネルのうちのいくつかは、対流冷却ダクトが設けられていない適切な厚さのアルミニウムシートのみを有し得る。このことの例は、本発明の第２の好ましい実施形態に係る図２ａ、図２ｂの他の電子装置用のボックスの断面図に、示されている。

図２ａ及び図２ｂを参照すると、平面図及び断面図が、電子装置用のボックス２００を切断してそれぞれ示されている。図２ａは、ボックス２００のプレナムチャンバベース２６０に対して平行な面によって切断されているボックス２００を示している。図２ｂは、ボックス２００のプレナムチャンバベース２６０に直交し、図２ａのＡ−Ａによって示されている面で切断された、同ボックスの断面図を示している。

このボックス２００には、互いに異なる厚さを有する２つの連続気泡アルミニウム発泡体パネル２１０、２１５を有する１つの壁２０５が設けられている。パネル２１５は、前記パネル２１０より大きな厚さと、従ってより大きな容量とを有する連続気泡アルミニウム発泡体を有している。また、このボックス２００の壁２２０には、前記パネル２１０と同等の厚さの連続気泡アルミニウム発泡体パネル２２５が設けられている。この壁２２０の残りは、ボックス２００の他の２つの壁２３５、２４０と同様に、アルミニウムシートのセクション２３０によって形成されている。４つのパワートランジスタ２４５が、前記パネル２１５の内壁に取り付けられている様子が示されており、３つの回路ボード２５０が、前記パネル２１０、２２５と熱的に接している取付けエッジによって前記ボックス２００中に配置されている様子が示されている。

連続気泡アルミニウム発泡体パネルが、電子装置用のボックス２００中に壁と冷媒チャンネルとの両方を形成するように示されているが、図２ａ、図２ｂに示されているように、適切に被膜で覆われ装置用のボックス２００を貫通した連続気泡アルミニウム発泡体の排出筒２７５を挿入することによって、更なる冷却が、与えられ得る。前記パネル２１０、２１５、２２５の場合と同様に、冷媒は、前記排出筒２７５の連続気泡発泡体を通って流れ得る。前記排出筒２７５の外形は、この排出筒を通る冷媒の排出を改良するように、一般の排出筒のように徐々に細くなっていても良い。熱源２８０は、前記排出筒２７５に取り付けられるか、パネル２１０、２１５、２２５の場合と同様に、この排出筒に熱的にリンクされ得る。

特に図２ｂを参照すると、前記ボックス２００をＡ−Ａで切断した断面図が、前記ボックス２００中に配置されている前記プレナムチャンバベース２６０と蓋２６５とを、これらの間に配置されている前記パネル２１５と前記アルミニウム壁セクション２３０と一緒に示している。孔、即ちスロット２７０が、前記ベース２６０と前記蓋２６５との取付け面に、それぞれ設けられている。これら孔２７０は、前記パワートランジスタ２４５と前記熱源２８０とからそれぞれ熱を取り除くために、冷媒が、前記ベース２６０と前記蓋２６５との間で前記パネル２１５と前記排出筒２７５との連続気泡アルミニウム発泡体を通ってどちらかの方向に流れることを、可能にする。

冷媒が流れる通路に位置されるフィンもしくはピンのような他の熱伝導体に比べて、広い表面積の連続気泡の熱伝導性の発泡体は、より有効な熱伝導装置に寄与し、また、軽量の電子装置用のボックスに高い構造的剛性を与える。前記連続気泡発泡体は、空気の冷媒による使用、もしくは水のような液体の冷媒による使用に適しているが、本分野の当業者には明らかであるように、液体の冷媒が使用される場合は、接合部の有効な密封に、大いに配慮する必要がある。

装置用のボックスが必要でない場合、しかし、例えばパネルの形態の内蔵型の冷却の配置が必要である場合、本発明の第３の実施形態に従った配置が、使用され得る。この配置は、図３を参照して説明される。

図３を参照すると、発熱部品３０５が取り付けられている内蔵型の冷却パネル３００が設けられている。前記パネル３００は、２つの主要な面の双方と、４つのエッジのうちの２つとを被覆するように、連続気泡アルミニウム発泡体パネルを有している。これら２つのエッジは、外部に開いている１つのエッジ３１０と、前記パネルを通してこの露出しているエッジ３１０の外に空気を送り、且つ取り付けられている前記部品３０５から熱を運び出すための３つの低電圧の電動ファン３１５の取付けのために開いている反対側のエッジとを除く。前記パネル３００は、大きさと形状とが、３次元で、変えられ得、前記ファンの数及び種類が、この第３の好ましい実施形態に関する本発明の範囲から逸脱しないで、必要に応じて他の適用に適合するように、変えられ得る。更に、液体の冷媒が使用される場合、前記ファンは、２つ以上のポンプに取り替えられる。

装置から熱を取り除くための連続気泡の熱伝導性の発泡体の更なる適用は、本発明の第４の好ましい実施形態に係る図４ａ、図４ｂを参照して説明される。

図４ａと図４ｂとを参照すると、電子モータ４０５を収容するための孔が貫通して設けられている連続気泡アルミニウム発泡体から成る胴体４００を有する収容構造体の、斜視図と断面図とが、示されている。前記発泡体は、露出した面のすべてが、アルミニウムによって被覆されている。冷媒の入口４１０と冷媒の出口４１５とが、冷媒が前記連続気泡発泡体を通って前記電子モータ４０５から熱を取り除くように、設けられている。前記収容構造体の容量は、例えば前記電子モータによって発生される熱の量と、前記構造体を通る冷媒の流量と、開いている空間とに応じて調整され得る。前記発泡体の収容構造体４００の外形は、収容され冷却される装置の外形に対応している必要はない。

当然、いかなる形状の収容体も、図４ａ、図４ｂに示されている構造体と機能的に同等の構造体によって、熱源を完全にもしくは部分的に囲むために設けられ得る。このような収容体は、冷媒が前記連続気泡発泡体の収容体に渡って少なくとも１つの入口から少なくとも１つの出口に流れるので、必要に応じて、冷媒を収容するように被覆されている。前記胴体４００は、冷却される対象物に適合するように、大きさと形状とが変えられ得る。前記冷媒が空気である場合、前記発泡体は、適切な位置には被覆され得ず、この結果、前記入口４１０と前記出口４１５とを物理的実体として形成する必要は無く、前記空気は、前記発泡体に出入りできる。

本発明の好ましい実施形態は、特に連続気泡アルミニウム発泡体を使用することとして説明されているが、他の金属と良好な熱伝導性を有する他の材料とが、発泡体と被膜とのために使用されても良い。すべての実施形態に関して、材料（発泡体もしくは被膜）の選択が、本適用の特定の必要条件に応じて、強度、剛性、熱膨張係数のような種々の機械的、もしくは熱加工的特性を得るために、異なり得る。例えば、重量がさほど重くないところには、銅が、使用され得る。更に、気泡の構造は、冷媒に対する熱の伝達のために必要な使用可能な表面積と、前記連続気泡構造体を通る冷媒の種類と必要な流速と、前記構造体の適切な重量とに応じて、大きい気泡もしくは小さい気泡を形成できるように変えられ得る。

熱管理の解決手段を提供する際に、上述の技術によって改良された対流冷却に加えて、冷却装置に１つ以上の蓄熱体を組み入れることが、有効であり得る。蓄熱体は、例えばワックスのような相変化可能材料を基にして、短期的に高いレベルの熱を蓄熱するために、使用され得る。このことは、冷却される装置の温度の望ましくない上昇無く処理するための対流冷却構造体の機能より、優れている。

改良された蓄熱体が、前記相変化可能材料によって熱を有効に発散させるために、本発明の好ましい実施形態に使用されるものと同様の連続気泡発泡体の構造体を使用するように、本出願者によって開発されている。このような改良された蓄熱体は、本出願人による、先願の中で説明されている。

便宜上、熱的にリンクされた連続気泡発泡体から成るセクションを有している構造体は、どの部分が対流冷却のための冷媒を搬送し、どの部分に蓄熱のためのワックスが充填されるかを最初に決定する必要が無いように形成され得る。冷却される熱源の位置を規定してから、冷却構造体の対流冷却の部分と蓄熱の部分との対応する配置が、構成されて、容易に実施され得る。例えば、連続気泡アルミニウム発泡体から成る絶縁されたパネルによって形成された壁を有する装置用のボックスが、蓄熱体として１つ以上のパネルを、また対流冷却ダクトとして他のパネルを使用することによって、特定の適用に容易に適合され得る。このような装置用のボックスの特定の例は、本発明の第５の好ましい実施形態に従って、図５を参照して説明される。

図５を参照すると、図１に示されている装置用のボックスの構造に類似した装置用のボックス５００の断面図を示す平面図が、示されている。この構造で、前記ボックス５００の壁は、８つの分離した壁を有しており、これら壁の各々は、最も広い面と直立した内側及び外側のエッジとがアルミニウムで被覆されている連続気泡アルミニウム発泡体によって、形成されている。いずれのパネル５０５、５１５、５２０、５２５、５３５、５４０も、冷媒の通路のために、ボックス５００のベースのプレナムチャンバと蓋（図５に示されていない）とに、スロットの孔によって、必要に応じてリンクされ得る。同様に、前記パネルのいずれも、ワックスのような相変化可能材料を含んでおり、蓄熱体として使用され得る。図５に示されている特定の例では、前記パネル５１０、５３０の２つが、ワックスを含んでおり、残りのパネル５０５、５１５、５２０、５２５、５３５、５４０は、冷媒の通路のために開いて使用可能の状態である。前記ワックスが充填されたパネル５１０、５３０の各々は、冷媒を搬送するように、前記パネル５０５、５１５、５２５、５３５のうち２つにそれぞれ当接しており、好ましくは熱的に接着されている。この結果、冷却段階で、前記ワックスが充填されたパネル５１０、５３０からの熱が、前記冷媒に伝達され、これによって運び出され得る。

前記ボックス５００の壁に加えて、更なる構造が、前記壁５０５、５１５、５２０、５２５、５３５、５４０によって与えられる冷却を補完するために、前記ボックス５００中に設けられている。特に、更なるパネル５４５が、冷媒の通路のために設けられており、また、矩形の断面を有する蓄熱体５５０が、ワックスを含む連続気泡アルミニウム発泡体の部分５５５を２つ収容する囲いを有するように、形成されている。この蓄熱体５５０は、前記パネル５４０の内面に熱的に接着されており、この結果、前記蓄熱体５５０の冷却段階に、熱が、前記冷却パネル５４０によって導き出され得る。

基本的に、また、本分野の当業者には明らかであるように、冷却される装置用のボックスは、蓄熱パネルと冷媒パネルとの、また必要に応じて異なる大きさを有する異なるパネルとの、いかなる望ましい組み合わせも有し得る。図５に示されているパネルと蓄熱体（５４５、５５０）のように、更なる冷媒を搬送する構造体と蓄熱体とのいかなる組み合わせも、前記ボックス中に設けられ得る。このような構造体は、パネル形状の構造体に限られず、使用可能な空間、もしくは冷却される装置の形状に応じて、形成され得る。

両方が熱伝導性の材料から成る連続気泡発泡体によって形成されている冷却構造体と蓄熱体との組み合わせの使用が、本発明の好ましい実施形態の装置用のボックスに関連して説明されているのに対し、いかなる他の形式もしくは形状の構造体も、冷却される装置の物理的条件と全体の熱管理条件とに応じて、このような発泡体材料によって形成され、好ましくは囲まれ得る。図４ａ、図４ｂを参照して上述されたような構造体は、適切な潜熱蓄積部材を収容している蓄熱部分を形成するように、分離されているが互いに熱的にリンクされている１つ以上のセクションを有し得る。便宜上、このような構造体の蓄熱部分は、物理的な構造に関しては、このような構造体の製造を簡易化するように、冷媒の案内部分に類似し得る。好ましくは、構造体は、製造時には、冷媒を運ぶ部分と蓄熱部分との選択をする必要が無いように、形成され得る。前記構造体は、選択された部分にワックスのような相変化可能材料が充填されることによって、特定の適用に合うように適合され得る。前記構造体の多孔の性質が、このことを、使用前にいつでも容易に果たし得るようにする。

Claims (12)

1. 各々が熱伝導性材料から成る連続気泡発泡体によって少なくとも部分的に形成されている複数の構造体を有しているボックスを具備している複数の離間した電子装置を冷却するための、冷却器であって、前記ボックスは、底に設けられた中空のプレナムチャンバを有し、このプレナムチャンバは、前記複数の構造体が装着された取付け面を有し、この取付け面には、複数の孔が形成され、これら孔を通って冷媒がプレナムチャンバ内から前記複数の構造体の前記連続気泡発泡体中へと流れて、ボックス内の複数の電子装置から前記連続発泡体に伝えられた熱を取り除く、冷却器。
2. 前記複数の構造体の各々は、前記冷媒の通路のためのダクトを形成するように配置された、前記連続気泡発泡体から成るパネルを有する、請求項１に記載の冷却器。
3. 前記パネルは、前記ボックスの構成部材である、請求項２に記載の冷却器。
4. 前記パネルは、前記ボックスの壁の少なくとも一部を形成している、請求項３に記載の冷却器。
5. 前記ボックスは、前記連続気泡発泡体から成る別のパネルを更に有しており、このパネルは、このボックスの壁から分離されており、前記ボックス中で電子装置を冷却する、請求項３に記載の冷却器。
6. 前記ボックスは、排出筒を更に有し、この排出筒は、装置から熱を取り除くために、冷媒のための補完的な通路を形成するように、このボックスの壁から分離されており且つ連続気泡発泡体によって形成されている、請求項３乃至５のいずれか１に記載の冷却器。
7. 前記パネルには、前記冷媒を、前記パネルを通して推進させるための推進手段が設けられている、請求項２に記載の冷却器。
8. 前記複数の構造体の少なくとも１つは、冷却される装置の形状に対応するように形成されている、請求項１ないし７のいずれか１に記載の冷却器。
9. 前記複数の構造体の少なくとも１つは、前記冷却される装置を少なくとも部分的に囲むように形成されている、請求項８に記載の冷却器。
10. 前記複数の構造体の少なくとも１つは、前記連続気泡発泡体によって形成されており蓄熱体を形成するための潜熱蓄積材料を含んでいる囲まれたセクションを更に有しており、この蓄熱体は、前記構造体の、前記冷媒を通すように設定されている部分に、熱的にリンクされている、請求項１乃至９のいずれか１に記載の冷却器。
11. 前記冷媒は、１種の気体、もしくは複数種の気体の混合物から成る、請求項１乃至１０のいずれか１に記載の冷却器。
12. 前記冷媒は、液体から成る、請求項１乃至１０のいずれか１に記載の冷却器。

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